Предположим, что питание отключилось, и все, что у вас есть под рукой, - это автомобильный аккумулятор на 12 В. Можете ли вы использовать его для питания холодильника, чтобы еда не испортилась? К сожалению, ответ отрицательный, потому что вы упускаете что-то важное, и мы говорим не только о розетке для вилки. Вам нужно устройство, которое преобразует мощность постоянного тока от батареи в мощность переменного тока, которая может управлять компрессором холодильника.
Этот преобразователь постоянного тока в переменный называется инвертор. Преобразовать переменный ток в постоянный довольно просто - все, что вам нужно сделать, это пропустить ток через диод, который пропускает ток только в одном направлении. Преобразование из постоянного в переменный более сложно, потому что вам нужен какой-то генератор, который меняет направление тока на нужную вам частоту. Есть способ сделать это механически, но большинство инверторов полагаются на резисторы, конденсаторы, транзисторы и другие схемные устройства.
Инвертору нужна еще одна вещь: способ изменить напряжение источника тока для использования устройством, которое будет использовать питание. Другими словами, ему нужен трансформатор. Например, если вы питаете холодильник на 120 В от батареи на 12 В, инвертору нужен повышающий трансформатор, который увеличивает напряжение в 10 раз. Поскольку он работает только с переменным током, трансформатор включается в цепь после компонентов, которые изменяют ток с постоянного на переменный.
Что такое переменный и постоянный ток?
Большинство людей узнают о постоянном токе, знакомясь с электричеством, и лучший способ визуализировать это - подумать о батарее. Если вы соедините клеммы аккумулятора проводящим проводом, электроны потекут от отрицательной клеммы к положительной, как муравьи, следующие друг за другом во время кормления.
Если вы поместите в цепь нагрузку, такую как свет, электроны проходят через нагрузку и работают на своем пути к положительному выводу. В случае лампочки работа заключается в том, чтобы нагреть нить накала, чтобы она светилась.
Вместо того, чтобы течь в одном направлении, переменный ток меняет направление много раз в секунду, и это связано с тем, как он генерируется. Используя электромагнитную индукцию, явление, при котором изменяющееся магнитное поле производит электрическое ток в проводящем проводе, генератор переменного тока вырабатывает электричество с вращающимся ротором и катушкой проводимости провод. В одной из версий, ротор представляет собой постоянный магнит, и во время вращения он генерирует ток в катушке, который меняет направление с каждой половиной оборота ротора.
Переменный ток не проходит через провод так же, как постоянный ток. Лучше всего думать об этом так, как будто электроны в проводе колеблются на месте. Во время первой половины вращения ротора электроны движутся в одном направлении, а во время второй половины вращения - в другую сторону.
Если вы построите график движения отдельного электрона в зависимости от времени, он сгенерирует форму волны, известную как синусоидальная волна. Частота волны определяется скоростью вращения ротора генератора.
Простой механический преобразователь постоянного тока в переменный
Устройство, которое может преобразовывать постоянный ток в переменный, должно иметь возможность отключать ток, идущий в одном направлении, и отправлять его в другом, а затем через равные промежутки времени обращать этот процесс в обратном направлении. Чтобы сделать это, поместите вращающееся колесо между парой клемм и расположите контакты так, чтобы колесо меняло соединения батареи при каждом вращении. Ток будет течь в одном направлении, когда колесо находилось в начальной точке, и в противоположном направлении, когда колесо повернулось на 180 градусов.
Такая грубая установка будет производить ток типа «все или ничего» в каждом направлении, и если вы изобразите движение электрона в цепи, вы получите то, что известно как прямоугольная волна. Это не лучший инвертор для дома. Ток мог бы выполнять простые задачи, например, заставлять нагревательный элемент светиться, но он не работал бы с чувствительным электронным оборудованием. Более того, вам понадобится точный способ управления вращением колеса, чтобы получить полезную мощность переменного тока.
Инверторы используют компоненты цепи для изменения направления тока
В коммерческих инверторах используются не крутящиеся колеса, а такие компоненты схемы, как конденсаторы, резисторы и транзисторы. Общая схема инвертора постоянного тока в переменный ток показывает параллельные цепи с транзисторами, включенными последовательно с резисторами, и перекрестные цепи с конденсаторами и силовыми транзисторами, или МОП-транзисторs (Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы). Другой тип использует Генератор моста Вина, который построен с резисторами и конденсаторами.
Оба описанных выше инвертора инвертор с чистой синусоидой (PSW)s, а генерируемый ими сигнал может использоваться всеми электронными устройствами. Если вы ищете инвертор для дома, вам нужен инвертор PSW, потому что он будет работать с электронными компонентами вашей плиты, сушилки, стиральной машины и других приборов.
Другой тип преобразователя постоянного тока в переменный - это модифицированный синусоидальный инвертор (MSW). В нем используются более дешевые компоненты, такие как диоды и тиристоры, похожие на транзисторы. Сигнал от инвертора MSW похож на прямоугольную волну со слегка закругленными углами, и, хотя он может питать большие приборы, он не подходит для электронного оборудования. Это был бы лучший инвертор мощности для автомобиля, делающий аккумулятор доступным для электроинструментов и оборудования для ремонта автомобилей.
Еще одна вещь: трансформатор
Даже если вы преобразуете сигнал от источника постоянного тока, такого как батарея или солнечная панель, в переменный, напряжение не будет достаточно большим для питания прибора на 120 В. К счастью, усилить напряжение переменного тока несложно. Все, что вам нужно, это трансформатор, который также работает по принципу электромагнитной индукции.
Трансформатор прост в эксплуатации. Две проводящие катушки расположены рядом или одна внутри другой, и ток, проходящий через одну катушку, называемую первичной катушкой, индуцирует ток в другой, вторичной катушке. Соотношение токов в двух катушках, а также их напряжений определяется разницей в количестве витков в катушках.
Если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первая, трансформатор повысит напряжение на величину количество, равное количеству витков вторичной катушки, деленному на количество витков первичной катушка.
Вы можете спроектировать инвертор для подачи любого напряжения, которое вы хотите, но если вам нужен преобразователь постоянного тока в переменный, который превратит ваши 12 В. автомобильный аккумулятор в источник питания 120 В для вашего дома, вам необходимо сделать соотношение между первичной и вторичной обмоткой 1 к 10. Коммерческие инверторные трансформаторы имеют сотни витков, а провода выделяют резистивное тепло, поэтому инвертору нужны ребра - и, возможно, вентилятор - для охлаждения. Более того, катушки иногда наматываются на твердый сердечник, чтобы обеспечить более эффективную индукцию, и это может сделать инвертор очень тяжелым.